典型內河港口溫室氣體排放特征研究

劉恒成，王子衿，吳紹維

（1.重慶交通大學航運與船舶工程學院，重慶 400074；2.昆明市第八中學，云南 昆明 650222）

0 引言

在世界經濟逐漸全球化的今天，港口在經濟貿易中起著重要作用,但在港口生產作業過程中同時排放出的大量溫室氣體，是全球氣候變暖的因素之一。氣候變暖現象已逐漸引起全世界的關注，低碳可持續綠色發展模式將成為港口發展的必然趨勢。

近年來，已有諸多估算碳排放量的計算方法，但沒有形成統一標準。目前，碳排放核算方法可歸納為排放系數法、投入產出法，實測法3 種。劉玲等[1]分析了現有的碳排放測算方法，總結出3 大測算體系，其中排放系數法應用最廣泛，因其可參考已有的排放系數而不需重新研究特殊情況下燃料的碳排放情況，所以該方法應用較廣。于華[2]和宋宇[3]分別研究了煤炭開釆等環節的碳排放和建筑循環物流碳排放，在這2 類碳排放的估算中，均采用了排放系數法來計算碳排放量。港口碳排放估算中包含對港口企業碳排放的測算，涉及“企業”測算層級。國內外學者對港口碳排放計算方法的研究也有很多，但目前主要集中在沿海港口[4-8]，對內河港口的研究較少[9]，而且主要以集裝箱碼頭為研究對象，并主要針對集裝箱碼頭裝卸生產的碳排放進行研究[10-11]，而對集裝箱碼頭整體碳排放的研究較少。除此之外，現階段對散貨碼頭等其他碼頭的碳排放研究也為數不多。

選取長江上游流域地區果園港口作業區為研究對象，全面分析港區范圍內所有的船舶和機械設備，研究并制定排放量的計算方法，對保有量、活動水平、燃油消耗量及品質等基本數據進行調研，從而獲得2020年該港區大氣污染物排放量，并對排放特征進行分析，確定出主要排放源，以期能為我國相關內河港區開展港口污染防治治理工作提供參考依據。

1 港區概況

果園港口作業區分為集裝箱碼頭和散貨碼頭，其中集裝箱碼頭水運條件優越，碼頭岸線長760 m，設計低水位在154.77 m，常年水深約5 m，是天然的深水良港。后方堆場采用2 級平臺設計，陸域總面積為0.43 km2，堆場使用面積為0.24 km2。2020年果園港口作業區（集裝箱碼頭和散貨碼頭）調研數據見表1。

表1 果園港口作業區年平均調研數據

由表1 可以看出，果園港口作業區共有10 個泊位，港區內集裝箱碼頭機械設備有岸橋、場橋、集裝箱運輸車輛（集卡）和堆高機等，散貨碼頭機械設備有卸船機、門座式起重機、帶式運輸機、堆取料機、重型卡車、鏟車、叉車等，機械設備種類覆蓋面廣，具有代表性。

2 研究方法

港區大氣排放主要來源于2 部分：停港船舶和港區內機械設備。選定果園港口作業區作為研究對象，對港區范圍內停港船舶和機械設備進行全面分析，選取合適的大氣污染物排放量計算方法及排放因子獲取途徑。先對停港船舶、機械設備的保有量、活動水平、燃油消耗量及品質等基本數據調研，再計算出大氣污染物排放量并分析排放特征。

2.1 碳排放計算方法

目前，碳排放計算方法的分類標準較多，通?？蓺w納為宏觀和微觀2 類，其中宏觀計算方法是一種從概念角度計算碳排放的方法，而微觀計算方法則是將不同排放源進行分類來計算碳排放量[12]。

2.1.1 排放因子法

排放因子法是由IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）提出，運用排放因子乘以碳排放源的數值來作為該碳排放源的碳排放計算值。計算公式如下：

式中：Emission 為該碳排放量實際計算值，kg；AD 為碳排放記錄清單中的碳排放源的數據記錄值，kg；EF 為排放因子，表示單位某排放源所釋放出來的溫室氣體量，kg/kg。

2.1.2 實測法

實測法是一種通過對排放源的碳排放量進行實時監測，然后匯總監測獲得排放源碳排放量的方法。該方法的優點：中間環節少，結果接近實際碳排放量。缺點：數據獲取存在一定困難且資金投入較大。此外，還受到樣品采集以及測量精度的影響。因此，該方法若樣品選擇不對，將影響最終計算的碳排放量。目前，該方法在實際應用中比較少。

2.1.3 質量平衡法

質量平衡法是近年來新提出的一種計算方法。采用該方法能分類估算出各類設備的碳排放量并進行對比，并能對不同碳排放地區的碳排放量進行更為準確的估算，估算結果更接近實際排放量。尤其當設備更新換代快時，采用該方法更方便有效。

考慮港區的排放源并不復雜且作業機械相對固定及相關數據的真實性，通常認為在計算過程中碳排放因子不變。本文碳排放將根據調研獲取的燃油消耗量計算出各機械設備的碳排放量。

碳排放系數是用于計算消耗單位質量或體積能源產生的溫室氣體所轉化成CO2的量。根據《2006年IPCC 國家溫室氣體清單指南》 可獲得我國柴油的低位熱值和單位熱值CO2排放系數取值，為簡化計算，假設燃油消耗時的氧化率為100%。該指南給出柴油單位熱值CO2排放系數缺省值(排放因子)為74 100 kg/TJ[13]。0# 柴油質量濃度取0.85 kg/L，可計算出柴油的CO2排放系數為2.65 kg/L，即消耗1 000 kg 柴油約排放3 117.65 kg 的CO2[14]。

2.2 其他污染排放物計算方法

2.2.1 硫氧化物(SOx)計算方法

硫氧化物(SOx)的排放量采用物料平衡算法，其原理為：S 的相對原子質量是32，O 的相對原子質量是16，SO2的相對分子質量為64。因此SO2排放量的計算公式為：

2.2.2 氮氧化物(NOx)與PM 計算方法

氮氧化物(NOx)的排放量采用燃油消耗量估算法[15]，計算公式為：

式中：i，j 分別代表作業過程、作業機械；E 為NOx的排放總量，kg；Qi，j為作業過程i 作業機械j 的燃油消耗量，kg；EFj為作業機械j NOx的排放因子，g/kg。各類型機械的排放因子見表2。

表2 非道路移動設備排放因子 g·kg-1

計算船舶尾氣大氣污染物排放量時，應考慮到影響排放因子的因素。通常選取美國環境保護組織（EPA）根據不同柴油發電機的功率制定出不同的排放因子[20-21]，見表3。

表3 EPA 制定的船舶排放因子 g·kg-1

2.3 柴油發電機的油耗

不同品牌的發電機組的油耗不同。1 L 柴油的質量約在0.84 ～0.86 kg，通常發電機制造商采用g/kW·h 參數，即發電機組每千瓦時的油耗。將單位換算成升，可得到1 h 的耗油量。在額定負載情況下，不同功率柴油發電機油耗見表4。

表4 額定負載情況下不同功率柴油發電機的油耗

3 大氣污染物排放量及排放特征分析

由于船舶及運輸車輛單次運行距離長，港區范圍內船舶只計算?？吭诖a頭的船舶內部柴油發電機工作時所產生的大氣污染物排放量，運輸車輛只計算在港區內運行和等待時的大氣污染物排放量。故計算出2020年果園港口作業區大氣污染物（PM2.5，CO2，NOx，SO2等）排放總量為2 241 t，各種大氣污染物排放量見圖1、圖2。該港區停港船舶、機械設備排放大氣污染物占比見圖3、圖4。

圖1 2020年果園港區集裝箱碼頭各種大氣污染物排放量

圖2 2020年果園港區散貨碼頭各種大氣污染物排放量

圖3 果園港區集裝箱碼頭排放大氣污染物占比

圖4 果園港區散貨碼頭排放大氣污染物占比

由圖3 可以看出，①果園港區集裝箱碼頭的集卡為主要碳排放源，所排放的碳占比高達68%。其次為堆高機，占比約為18%。停港船舶發電柴油機組的占比為14%；②在NOx排放方面，集卡、堆高機和停港船舶占比依次為64%，17%和19%。集卡為果園港區集裝箱碼頭NOx的主要排放源，其次為停港船舶；③在SO2排放方面，集卡、堆高機和停港船舶的占比依次為68%，18%和14%。集卡為SO2的主要排放源，其次是堆高機；④在PM2.5排放方面，集卡、堆高機和停港船舶的占比依次為56%，15%和29%。集卡為PM2.5的主要排放源，其次是停港船舶。

由圖4 可以看出，果園港區散貨碼頭的CO2，NOx以及SO2排放主要來自于散貨碼頭作業的重型卡車，占比均高達48%；其次依次為鏟車、叉車、其他機械和停港船舶，占比分別為24%，22%，4%和2%。在PM2.5排放方面，叉車為主要排放源，其占比為43%；重型集卡、鏟車、其他機械和停港船舶的占比依次為28%，24%，2%和2%。

由于活動數據、排放因子及相關參數等的缺乏或代表性不足，排放量的計算有一定的不確定性，主要體現在以下2 方面：①排放因子的選取。排放因子采用國內外學者已有的研究成果，并未進行排放因子實測，是不確定性的重要來源；②相關參數的選取。停港船舶、港區內機械設備的保有量、燃油消耗量等采用的是基于統計數據和調研結果的平均水平，具有較大不確定性。

4 低碳排放的測算

以上分析可知，各類耗油作業機械設備和船舶在停港期間發電機組排放的溫室氣體是果園港區大氣污染物排放的主要來源。對此，采用清潔能源和全電化動力機械設備以及強制實行停港船舶接入岸電是實現低碳排放的有效途徑。

4.1 油改氣的碳排放測算

天然氣作為一種高效且相對清潔的燃料，燃燒時僅排放出少量的CO2和其它大氣污染物，與其它化石燃料相比，污染小，基本不含鉛、硫化物及苯類等有害物質。目前，天然氣作為推廣的清潔燃料，不僅價格低且儲量大，港口的機械設備如將油改氣，既降低了油耗，又減少了SOx，NOx及PM 的排放。果園港區集裝箱碼頭和港區散貨碼頭油改氣后的碳排放減少情況分別見表5。

表5 果園港區油改氣后的碳排放減少情況

由表5 可以看出，集卡、叉車、裝載機（鏟車）、堆高機、停港船舶等耗油設備是港口主要的碳排放源，將現有港口設備改用天然氣可有效降低20%以上的碳排放量。

4.2 油改電的碳排放測算

為有效降低果園港區碳排放量，深化推動低碳綠色港口建設，采用全電驅動港口動力機械可直接消除碳排放和大氣污染物。針對集卡、叉車、裝載機（鏟車）、堆高機、停港船舶等港口主要的碳排放源，進行全電化升級是降低碳排放的最有效措施。

設定果園港區的吞吐量按5%的增長率增加，到2028年果園港區集裝箱碼頭和散貨碼頭碳排放情況見表6、表7。在集裝箱碼頭中，原有集卡18 臺，至2023年預計改造5 臺，至2025年預計改造10臺，至2028年預計改造3 臺；原有堆高機3 臺，至2023年預計改造1 臺，至2025年預計改造2 臺；在散貨碼頭中，原有重型卡車10 臺，至2023年預計改造3 臺，至2025年預計改造5 臺，至2028年預計改造2 臺；原有鏟車共15 臺，至2023年預計改造5臺，至2025年預計改造7 臺，至2028年預計改造3臺；原有叉車共12 臺，至2023年預計改造4 臺，至2025年預計改造6 臺，至2028年預計改造2 臺；其他機械2023年預計全部改造完畢。由表6、表7 可以看出，至2023年，果園港區碳排放減少率超過25%；至2025年，碳排放減少率超過75%；至2028年完全實現了零排放。

表6 果園港區油改電后集裝箱碼頭的碳排放情況 t

表7 果園港區油改電后散貨碼頭的碳排放減少情況 t

5 結論與建議

（1）選取典型內河港區為研究對象，根據文獻調研分別制定了港區內停港船舶、機械設備產生的溫室氣體及大氣污染物排放量計算方法。其中停港船舶和港區內機械設備都采用燃油消耗量計算法，停港船舶選用船舶排放因子，機械設備的排放因子可通過NONROAD 模型獲取。先進行保有量、活動水平、燃油消耗量及品質等基本數據調研，最后計算出港區溫室氣體與大氣污染物排放量，并分析其排放特征。

（2）計算結果顯示，2020年果園港口作業區大氣污染物排放總量為2 241t，果園港區集裝箱碼頭除PM2.5外的其他排放物中，集卡排放占比均超過60%，堆高機和停港船舶排放占比相差不大，均為14%～19%。在PM2.5排放方面，集卡、堆高機和停港船舶占比依次為56%，15%和29%；果園港區散貨碼頭除PM2.5外的其他排放物中，重卡排放占比均高達48%，其次依次為鏟車、叉車、其他機械和停港船舶，排放占比分別為24%，22%，4%和2%。在PM2.5排放方面，叉車占比為43%，重卡、鏟車、其他機械和停港船舶占比依次為28%，24%，2%和2%。從上述結果可以得出，集卡和重卡是果園港區大氣污染物排放的主要排放源，兩者均為港區污染減排的重點對象，此外，集卡和叉車均為港區PM2.5污染減排主要控制對象。

（3）為建設低碳綠色港口，同時結合港區內機械設備情況，提出港口機械油改氣、油改電方式，使用清潔能源、采用全電化動力機械設備并且強制實行停港船舶接入岸電等。測算結果表明，通過油改氣方式可有效降低20%以上的碳排放量，通過油改電方式可逐步減少碳排放量，至2028年可完全實現零排放。

（4）由于排放因子采用的是國內外學者已有的研究成果，并未進行排放因子實測，導致計算結果的不確定性，若條件允許建議開展排放測試實驗，獲取不同機械設備不同運行工況下的實測排放因子，以提高計算結果的可靠性。